Aula 1
Termodinâmica aplicada a bioenergética
“Bioenergética” no Google em 03 de Agosto de 2011
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“Bioenergética” no Google em 03 de Agosto de 2011
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“Bioenergética” AND “ATP” no Google em 03 de Agosto de 2011
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2,1 % dos sites referem-se a Bioenergética como ciência !!!
Usain Bolt
100 m em 9,58s
Velocidade: 10,43 m/s
Velocidade: 37,55 km/h
200 m em 19,19s
Velocidade: 10,42 m/s
Velocidade: 37,55 km/h
Gafanhoto
Migratório
Locusta migratoria
Máx. altitude = 2438 m
Velocidade: 20 km/h
A mais recente “praga bíblica”
O enxame de gafanhotos migratórios de 1987
A mais recente “praga bíblica”
O enxame de gafanhotos migratórios de 1987
DEZ DIAS DEPOIS …
Do ponto de vista energético
a engenharia não é comparável à biologia
Mil Mi-26
Full loaded weight = 49500 kg
Energy expenditure = 16760 kW
Max. Speed = 295 km/h
Do ponto de vista energético
a engenharia não é comparável à biologia
Locusta migratoria
Mil Mi-26
Full loaded weight = 2 g
Energy expenditure = 8,72 kW
Max. Speed = 20 km/h
Full loaded weight = 49500 kg
Energy expenditure = 16760 kW
Max. Speed = 295 km/h
Do ponto de vista energético
a engenharia não é comparável à biologia
Locusta migratoria
Mil Mi-26
Full loaded weight = 2 g
Energy expenditure = 8,72 kW
Max. Speed = 20 km/h
Full loaded weight = 49500 kg
Energy expenditure = 16760 kW
Max. Speed = 295 km/h
Relative energy flow
4.360.000 W/kg
Relative energy flow
338,6 W/kg
Do ponto de vista energético
a engenharia não é comparável à biologia
Locusta migratoria
Relative energy flow
4.360.000 W/kg
Os primórdios da bioenergética
Antiguidade
A chama da vida.
Vida = água, calor, ar e fogo.
Hipócrates
Doenças como manifestações dos 4 elementos.
Aristóteles
O quinto elemento: a alma da matéria.
Johann Joachim Becher (1667) e Georg Ernst Stahl (1703)
Flogístico (Princípio do fogo).
Antoine-Laurent de Lavoisier
(26 August 1743 – 8 May 1794)
Qual a natureza quimica dos gases
produzidos pela respiração?
Experimento 1: Natureza quimica dos gases da
respiracao
Experimento 2: Relação entre trabalho e a
produção dos gases da respiracao
Há uma relação de proporcionalidade
entre a respiração e a combustão ?
Calorímetro de Lavoisier-La Place
Há uma relação de proporcionalidade
entre a respiração e a combustão ?
Há uma relação de proporcionalidade
entre a respiração e a combustão ?
“A respiração é portanto uma combustão, muito lenta é verdade,
mas de qualquer forma perfeitamente semelhante à combustão
do carvão ou de qualquer outra matéria orgânica. Ela ocorre no
interior dos pulmões sem produzir luz perceptível, porque a
matéria liberada pelo fogo é imediatamente absorvida pela
umidade dos tecidos”.
(Lavoisier, 1787, vol. II, 331)
Há uma relação de proporcionalidade
entre a respiração e a combustão ?
Corpo + O2
CO2 + H2O + Calor
Lavoisier (Tratado de Quimica Elementar, 1789)
Lei da conservação das massas:
“Matéria não se cria nem se destroi, se transforma”
Guilhotinado em 8 de Maio de 1794, pelo tribunal revolucionário
Corpo + O2
CO2 + H2O + Calor
O fluxo de energia na biosfera
Corpo + O2
CO2 + H2O + Calor
Corpo + O2
CO2 + H2O + Calor
Corpo + O2
CO2 + H2O + Luz
Os sistemas biológicos trocam energia
e matéria com o ambiente
Três leis da termodinâmica
1a. Lei da termodinâmica:
“Lei da conservação da energia”.
Em um sistema fechado, o total de energia permanece
constante.
“Na Natureza, nada se cria, nada se destrói … Tudo se
transforma”
2a. Lei da termodinâmica:
“Nenhum processo natural ocorre a menos que seja
companhado por um aumento da desordem do universo”
“A desordem de um sistema tende espontaneamente a
aumentar”.
3a. Lei da termodinâmica:
“A entropia de um cristal perfeito é zero quando a temperatura
absoluta é zero (0 K)”.
Três leis da termodinâmica
1a. Lei da termodinâmica:
“Lei da conservação da energia”.
Em um sistema fechado, o total de energia permanece
constante.
Três leis da termodinâmica
2a. Lei da termodinâmica:
“Nenhum processo natural ocorre a menos que seja
companhado por um aumento da desordem do universo”
Três leis da termodinâmica
3a. Lei da termodinâmica:
“A entropia de um cristal perfeito é zero quando a temperatura
absoluta é zero (0 K)”.
CO2
Nutrientes
Excreta
Calor
H2O
Cucujus clavipes
Cucujus clavipes
- 150
oC
Spermophilus parryii
Hibernates over winter and reduce its
body temperatures from 37 °C to as
little as −3 °C.
Energia é a capacidade de um sistema realizar trabalho
Energia é a capacidade de um sistema realizar trabalho
A espontaneidade de qualquer reação
depende da energia potencial do sistema
A espontaneidade de qualquer reação
depende da variação de energia livre de Gibbs
Entropia (S)
Energia Livre
de Gibbs (G)
DG = DH - TDS
Entalpia (H)
A energia livre de Gibbs depende
da variação de calor e desordem do sistema
Energia Livre de Gibbs (G)
Qdade de energia livre para realizar W
DG < 0 (-) liberação energia = Exergonico
DG > 0 (+) absorção energia = Endergonico
DG = 0 Reação em equilibrio
(J/mol ou cal/mol)
Entalpia (H)
Espontaneidade
das reações
Qdade de calor num sistema (conteúdo térmico)
DG < 0 (-) liberação energia = Exergonico
A energia
livre
Gibbs depende
DG > 0 (+) absorção
energia
= de
Endergonico
da variação
de calor e desordem do sistema
DG = 0 Reação
em equilibrio
(J/mol ou cal/mol)
Entalpia (H)
Qdade de calor num sistema (conteúdo térmico)
DH [ H produtos – H reagentes] < 0 (-) liberação calor = exotérmica
DH [ H produtos – H reagentes] > 0 (+) absorção calor = endotérmica
(J/mol ou cal/mol)
Entropia (S)
Grau de aleatoriedade ou desordem de um sistema.
DS [S produtos – S reagentes] < 0 (-) Menos desorganizados
DS [S produtos – S reagentes] > 0 (+) Mais desorganizados
(J/mol . K ou cal/mol . K)
A energia livre de Gibbs depende
DH [ H produtos – H reagentes] < 0 (-) liberação calor = exotér
da variação de calor e desordem do sistema
DH [ H produtos – H reagentes] > 0 (+) absorção calor = endot
(J/mol ou cal/mol)
Entropia (S)
Grau de aleatoriedade ou desordem de um sistema.
DS [S produtos – S reagentes] < 0 (-) Menos desorganizados
DS [S produtos – S reagentes] > 0 (+) Mais desorganizados
(J/mol . K ou cal/mol . K)
Qual a relação existente entre a
variação de energia livre de Gibbs,
a entalpia e a entropia?
Perguntas:
1) Qual o sinal (+, 0 ou -) de DG, DH e DS
da dissolução de NaOH ?
Perguntas:
1) Qual o sinal (+, 0 ou -) de DG, DH e DS
da dissolução de KCl ?
A variação de energia livre de Gibbs de uma reação
depende da razão de massa existente entre reagentes e produtos
A variação de energia livre de Gibbs de uma reação
depende da razão de massa existente entre reagentes e produtos
(O exemplo da hidrólise de ATP)
A variação de energia livre de Gibbs de uma reação
depende da razão de massa existente entre reagentes e produtos
(O exemplo da hidrólise de ATP)
No equilibrio...
ATP
ADP + Pi
A variação de energia livre de Gibbs de uma reação
depende da razão de massa existente entre reagentes e produtos
(O exemplo da hidrólise de ATP)
Uma questão filosófica da
termodinâmica e a vida ...
DG = DH - TDS
CO2
Nutrientes
Excreta
Calor
H2O
Qual a origem da energia nos sistemas biológicos?
Avaliação 1:
Relatório sobre o conteúdo energéticos
dos alimentos
Grupos de 3 alunos
1) Quais os nutrientes energéticos mais frequentes nos rótulos.
1)
Qual o conteúdo calórico (cal/g) dos tres nutrientes
energéticos mais frequentes
Relatório com as respostas
Arginine : C6H15O2N4
MW 175
Glucose : C6H12O6
MW 180
Palmitoleic acid : CH3(CH2)5CH=CH(CH2)7COOH
MW 254
Corpo + O2
CO2 + H2O + Calor
Arginine : C6H15O2N4 = 2,5 H/C : 0,086 H/g
MW 175
Glucose : C6H12O6 = 2 H/C : 0,067 H/g
MW 180
Palmitoleic acid : CH3(CH2)5CH=CH(CH2)7COOH = 1,88 H/C : 0,12 H/g
MW 254
Corpo + O2
CO2 + H2O + Calor
O conteúdo calórico na oxidação completa
de diversos nutrientes
O fluxo energético em diversas demandas energéticas